干餾和水蒸氣氣化2種模式下牛糞熱解產物特性研究.pdf

1、隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?、集約化的發(fā)展，大量產生的畜禽糞便引起的環(huán)境污染已經嚴重制約我國經濟的可持續(xù)發(fā)展。采用炭化、氣化等熱化學方法處理畜禽糞便既可有效解決環(huán)境污染問題，還能獲得高品質的生物質炭和生物燃氣?，F有的熱解氣化裝置大多是一體式結構，即物料的干燥脫水、裂解脫揮發(fā)分及其半焦的深度熱解、氣化重整等反應過程在同一個反應容器內完成，不利于各反應階段的精確控制。此外，氣化反應的目標產物—可燃氣中焦油含量過高，增加了下游凈化系統(tǒng)的復雜程度和

2、運行成本。分段式熱解氣化技術可在時間和空間上將物料的干燥脫水、初步熱解、深度熱解或氣化重整等反應階段分離，從而便于各反應階段的精確調控、目標產物的改性提質以及系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能降耗。針對目前生物質熱解裝置的通用性和靈活性較差的問題，提出分段梯級的分布方式，實現熱能的梯級利用。分段式熱解工藝的關鍵是氣化方式選擇、中溫炭化段與高溫氣化段溫度點界限的確定以及各段生產能力的配備。本文研究分段熱解工藝中中溫段干餾、高溫段干餾熱解和水蒸氣氣化2種模式且

3、在不同溫度點通入水蒸氣的情況下牛糞熱解產物產率變化、氣相產物中各組分分布、氣體熱值，固相產物形貌特征、孔隙結構特征的演變、礦質元素遷移規(guī)律以及結渣特性，為分段式熱解裝置設計及工藝優(yōu)化提供依據。本文的主要研究內容及結果如下:
　　(1)畜禽糞便的基本特性（工業(yè)分析、元素分析、礦質元素分析）是影響熱解的重要因素，對牛糞的基本理化特性進行全面分析，可為牛糞的熱解特性打下基礎并為熱解試驗提供一定的理論依據。工業(yè)分析結果表明，與煤相比，畜禽

4、糞便與生物質揮發(fā)分含量很高，固定碳含量低，但畜禽糞便和煤的灰分含量較生物質高。礦質元素分析表明，牛糞原料中Si含量最高，堿金屬則以Ca和K含量較高，其熱解利用過程中由于熔融結渣可能會影響分段式熱解過程的進行。
　　(2)熱解條件顯著影響牛糞的熱解過程及產物的生成。對干餾熱解模式下不同熱解溫度和停留時間下產物的分布進行了系統(tǒng)研究，結果表明，熱解溫度對熱解產物的影響明顯大于停留時間。隨著熱解溫度的升高，氣相的產率明顯增大，氣相熱值明顯

5、增加。但當溫度從800℃升高到900℃時，該變化趨勢較小。熱解停留時間為1h時，固相產率高，熱值低;熱解停留時間長于2h時，熱解產物分布變化不大，但增加了系統(tǒng)能耗。
　　(3)分段式熱解工藝中高溫氣化段主要發(fā)生熱解炭、焦油、不可冷凝大分子化合物與水蒸氣等的二次裂解，該階段是否引入第一級干燥脫水后的水分、在哪一溫度下引入皆是分段式熱解工藝需要解決的問題，因此，對牛糞在水蒸氣氣化模式下不同熱解溫度和不同水蒸氣通入起始溫度點下的產物分布

6、進行了試驗研究。研究結果表明，水蒸氣氣化模式下氣相產率與可燃氣熱值明顯提高，氣相產物中H2所占比例顯著提高，CO和CH4有所降低，改善了生物燃氣安全利用性能。
　　(4)為進一步了解牛糞在干餾熱解和水蒸氣氣化2種模式下熱解炭的品質，更有效的利用熱解炭，減少污染，采用SEM、XRD、XRF、壓汞儀等儀器對2種熱解模式下的熱解炭的表觀結構、晶體化合物遷移、結渣特性、孔隙特性進行了全面分析。研究結果表明，牛糞及其熱解炭主要含SiO2和K

7、Cl，隨著有機揮發(fā)份析出，孔隙結構發(fā)生明顯地改變，水蒸氣氣化模式下固相產物總孔隙度明顯大于干餾熱解模式，總孔容積略高于干餾熱解，平均孔徑差異不明顯。在900℃時，水蒸氣氣化模式下的固相產物出現明顯的熔融結晶狀態(tài)，炭中存在嚴重的團聚渣塊現象，渣塊堅硬且密實，干餾熱解模式下產物未出現熔融結渣狀況，但也出現了結構變形。
　　綜合試驗研究結果，針對本課題組提出的連續(xù)分段式熱解工藝，如果牛糞熱解利用的目的是生物燃氣，在高溫熱解段應采用水蒸氣